汽车EEA架构:发展历程

1.发展历程的基本逻辑

汽车电子电气的发展历程中，其使用的基本逻辑是IPO(Input-Processing-Output)模型，如下图1所示：

图 1

那什么是IPO模型了？我们从控制器的原理入手解释IPO模型,控制器的主要用途如下：

根据给定的逻辑条件，实现对执行器的控制
输出信息给其他的控制器
记录数据-数据本身也是一种输出的产物

任何一个控制器都可以被抽象为由输入，处理和输出三部分组成的模型。采集数据的目的是控制输出部分，对采集的数据进行处理并根据预定的逻辑对输出进行控制的软硬件构成了控制器的处理部分。控制器的工作原理与IPO模型之间的映射关系如下图2所示:

图 2

输入是处理的基础：输入的内容既可以是模拟信号也可以是数字信号，例如音视频信号，射频信号或是图像数据。凡是可能对输出内容产生影响的外部信息，动作，均可以被称作输入。
输出是控制器存在的目的:控制器的输出内容可以是信息，模拟量(电压，电源)，射频信号。
处理环节可简单可复杂:例如人工智能的图像处理是复杂的，模拟信号和数字信号的转换是简单的。处理环节即可以由软件来完成，也可以由硬件来完成或者共同完成。

纵观整个电子电气架构的发展历史，其主线可以被归纳为IPO的发展史:输入与输出的数量及种类不断增加，处理环节也相应演进。同事，处理环节的演进又给输入与输出的变化提供了更多的可能性，这是一个正反馈的过程。正是输入，处理，输出不断的变化，促成了电子电气架构的革新，不同代际的电子电气架构之间的本质也正是他们输入，处理，输出之间的差异。

2.汽车电子电气架构的诞生历程

1908年，使用干电池的汽车扬声器诞生。到1922年一个名叫George Frost的18岁青年在自己的福特T型汽车上安装了一个真空管收音机，这就是现代汽车电子产品的第一次出现在汽上。

1978年，通用汽车第一次在汽车上引入了包含软件的半导体设备ECU(Engine Control Unit,发动机控制单元)，彻底改变了手动控制发动机的方式。汽车电子从迈入崭新的纪元，随着ECU使用的过于广泛，后来ECU被解释为电子控制单元(Electronic Control Unit),从而成为汽车上所有包含软件的控制器的统称。1995年，世界上首个自适应巡航控制系统诞生，这个系统可以自主控制车辆的行驶速度，甚至能够在驾驶员完全不参与的时候自主刹停车辆，保证驾驶安全，如下图3所示:

图 3

2000年，梅赛德斯奔驰技术有限公司将电子电气系统中各种ECU，传感器，执行器和线束集成导致原来简单的集成式开发方式无法保证质量，功能与性能稳定。经过多次技术会议研讨，奔驰最终决定对某款车在系统开发前就行整车电子电气总体设计，此款电子电气架构设计于2001年完成，从此世界首款汽车电子电气架构随之诞生。

3.汽车电子电气架构的6个发展阶段

回顾历史并展望未来，我们可以将汽车电子的发展分为以下6个阶段:

1)纯机械时代：始于1880年，车上没有任何电子部件；

2)孤立电子功能时代：1910～1949年，扬声器和收音机等电子部件出现在车上；

3)机电耦合时代：1950～1969年，机械与电子开始结合；

4)软件应用时代：1970～2009年，包含嵌入式软件的ECU广泛应用；

5)网联时代时代：2010～2029年，3G移动通信技术应用到汽车上，从此车辆与外界环境可以双向连接；

6)自主智能控制时代：2030年以后，车载人工智能成为大部分车辆的标准配置，车辆具备大部分场景下的自主控制能力。

以上发展历程可以使用如下图4所示:

图 4

4.汽车电子电气架构的演进

4.1分布式架构

分布式架构是最早被命名的电子电气架构，它的主要特点是整车中的各种功能分散在多个ECU中，各个ECU独立地进行各自的功能逻辑控制，分布式架构可以被分为四代，如下图5所示:

图 5

第一代：无总线。第一代分布式架构各个部件没有通过总线进行连接，信号都是通过硬线信号(电压，电流)进行传递。ECU之间无功能交互，独立完成自己的功能。电源供给采用大电流直接控制。

第二代:无网关。ECU之间已经有了总线连接，但是因为整车的总线数量较少，信息量也很少，无需网关进行不同网段的信息转换，转发工作，不同网段基本上保持独立的状态。ECU之间功能的交互较少，基本上处于独立工作的状态。

第三代:无独立网关。网络总线数量增加，可以多达4个网段，数十个节点。一般由BCM作为全车网络中枢并承担网关的职责，负责网络数据转发等工作。

第四代：独立网关。独立网关具有独立的MCU，可以处理更多的数据，存储空间也更大，因此可以承担更多的任务。除了可以提供十几条总线接口外，还可以承担OTA，信息安全防护，临时数据存储等任务。在车载以太网，FlexRay等技术应用后，网关也随之升级，以支撑这些新的总线形式，成本也大幅增加。

4.2域控制式架构

“域"在英语中可以对应两个词:Domain和Zone。Domain指的是功能域，即一类功能的集合，例如底盘域，动力域，车身域，信息娱乐域等。Zone指的是区域，Domain架构和Zone架构的理念不同，一个是按照功能来划分，一个是按照物理位置来划分。域控制式架构指的是按照功能域进行划分的架构。

域控制式架构一般有两种结构，如下图6所示。

图 6

拓扑A的结构可以称为星形域控制式架构(Start DCA)，每个域控制器(D1,D2,D3和D4)单独连接到网关上，它们之间的信息通过网关进行转发。域控制器与网关之间适合采用以太网等点到点的网络介质，能够传输的数据量较大。
拓扑B的结构可以被称为树形域控制式架构(Tree DCA),所有的域控制器(D1,D2,D3和D4)均连接在一条骨干网总线上，并连接到网关，域控制器之间可以直接进行信息交换，无需通过网关转发。这种形式适合采用FlexRay等高速总线，网络延迟较少，实时性更改好。

4.3集中控制式架构

在集中控制式架构(Centralized Control Architecture,CCA)中，HPC(High Performance Computing,高性能计算)是架构的核心，可以看作整车网络中的中央服务器，负责所有逻辑功能控制和数据处理工作。车企角度最理想的情况是由一个强大的HPC来处理车上的所有计算任务，如下图7所示。由于芯片的限制，目前无法只使用一个HPC。因此很多车企采用的方案还是两个到三个HPC来处理不同域的任务。

图 7

4.4车云一体式架构

由于5G技术，V2X的发展，使得通过路端V2X设备和云端对车辆进行高实时控制成为可以。这在理论上提供了一种新架构形式，即将大量运算能力要求高的工作放到云端的服务器进行处理，车端负责本地数据的采集和执行。这种架构可以被称为车云一体式架构(Vehicle Clound Architecture,VCA),其架构设计如下图8：